苏州大学李永舫院士团队李耀文教授：采用全溶液法实现了基于银纳米线顶电极的高性能有机太阳能电池

溶液法制备的电极替代蒸镀金属顶电极在有机太阳能电池（OSCs）高通量大规模生产中展现出巨大潜力。苏州大学李永舫院士团队李耀文教授等人采用全溶液法实现了基于银纳米线（AgNWs）顶电极的高性能OSCs。在制备AgNWs电极的过程中，通过采用淋洗策略有效降低了包裹在AgNWs上的残留绝缘聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的厚度，促进了AgNWs骨架之间更紧密的接触。此外，在AgNWs表面沉积一层额外的氧化锌纳米颗粒（ZnO-e），有效连接了AgNWs骨架与底层的氧化锌电子传输层（ZnO-t）。底层ZnO-t可诱导ZnO-e生长，减少二者间的错配晶格条纹角度，增强电荷传输，从而构建出从ZnO-t到AgNWs骨架的额外电荷传输通道，提升顶电极的电荷收集效率。基于此复合顶电极的全溶液法刚性和柔性OSCs分别实现了16.04%和14.54%的光电转换效率（PCE）。

OSCs因其轻质、机械柔性和可溶液加工等优势，受到研究人员的广泛关注。在过去二十年中，采用蒸镀金属顶电极的OSCs的PCEs已提升至19%以上。然而，传统的真空蒸镀方法不具备低成本、高通量和大面积制造的优势。因此，开发适用于全溶液加工的可印刷电极成为实现低成本大规模制造的关键。AgNWs作为新一代高导电率、高透过率、耐弯折的材料已被广泛地应用于电子产品的电极中。然而，当AgNWs用于OSCs顶电极时，器件的PCE通常明显低于使用蒸镀金属顶电极的对应器件。其中一个原因是，AgNWs周围包裹的绝缘PVP导致了AgNWs结点处较高的接触电阻。传统处理方法，如热退火和机械压处理，虽然能有效降低AgNWs结点处的接触电阻，但这类方法常对底层功能材料产生破坏，导致器件失效。其次，作为顶电极，AgNWs与底部界面层之间的“线-面”接触极大降低了AgNWs电极的电荷收集效率。

针对以上问题，苏州大学李永舫院士团队李耀文教授等人首先采用了一种淋洗策略。在AgNWs电极的制备过程中，采用乙醇对AgNWs进行淋洗，利用PVP在乙醇中良好的溶解性来溶解包覆在AgNWs表面的PVP，并在旋涂过程中通过离心力去除溶解在乙醇中的PVP（图1a）。该方法有效减少了AgNWs表面的PVP厚度，促进AgNWs之间更加充分的接触，从而降低了AgNWs结点处的接触电阻（图1b-d）。最终，在不破坏底部功能层的情况下，AgNWs电极的面电阻降低至17 Ω sq^-1（图1e）。

图1. （a）淋洗策略构筑AgNWs骨架示意图；（b）采用乙醇淋洗不同次数所对应的AgNWs的高分辨TEM图；（c）采用乙醇淋洗AgNWs前后的FTIR谱图；（d）用乙醇淋洗处理前后AgNWs上PVP的厚度变化以及AgNWs结点处的接触电阻示意图；(e)不同层数AgNWs以及采用不同溶剂处理所对应AgNWs骨架面电阻随淋洗次数的变化曲线。

其次，针对AgNWs与底部界面层之间差的电学接触，团队人员在AgNWs电极上额外沉积了一层ZnO-e（图2a-f）。得益于制备过程中溶剂蒸发所产生的长程色散力以及纳米颗粒之间晶界能的驱动，ZnO-e与ZnO-t之间产生较小的错配晶格条纹角度，促进二者之间更加高效的电荷迁移（图2g）。ZnO-e在界面层与AgNWs之间创建了额外的电荷收集通道，有效降低的器件的电学损失。

图2. （a）ZnO-t/AgNWs的截面SEM图。插图：AgNW和ZnO-t之间的“线-面”接触示意图；（b）ZnO-t/AgNWs的斜面SEM图；（c）ZnO-t/AgNWs:ZnO-e的平面SEM图；（d）FIB制样示意图；（e, f）ZnO-t/AgNWs:ZnO-e的截面TEM和EDS图；（g）图(e)中标记区域的高清TEM图。

最终，采用全溶液法制备的基于此电极的OSCs表现出优异的性能，以D18-Cl:N3:PC₆₁BM为活性层的刚性器件效率达到了16.04%，柔性器件达到了14.54%（图3）。

图3. （a）全溶液加工的器件结构示意图以及活性层分子结构图；（b）不同电极以及不同测试方法所对应的刚性器件的J-V曲线；（c）不同电极所对应的柔性器件的J-V曲线；（d）不同柔性器件的PCE随弯曲次数的变化曲线；（e）近期报道的全溶液法制备OSCs的PCEs统计图。

该成果以“Enhanced charge collection of AgNWs-based top electrode to realize high-performance, all-solution processed organic solar cells”为题，最新在线发表于Science China Chemistry上（doi: 10.1007/s11426-024-2079-5）。

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【通讯作者简介】

李耀文，苏州大学材料与化学化工学部教授，博士生导师。近年来，以通讯作者身份在Nat. Energy、Nat. Commun.、Joule、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等高水平杂志上发表SCI论文100余篇；授权中国发明专利10余项，转让7项，与企业广泛开展产学研一体化研究。相关成果获江苏省科学技术奖二等奖（第一完成人，2022）、江苏省高等学校科学技术研究成果一等奖（第一完成人，2021），江苏省行业领域十大科技进展（第一完成人，2023）。获得“国家杰出青年科学基金”、“国家优秀青年科学基金”、“江苏省优秀青年科学基金”、“仲英青年学者”、“苏州市优秀教育工作者”等人才项目和称号。担任中国材料研究学会太阳能材料专业委员会专家成员，Sci. China Chem.青年编委、Wiley纳米旗舰刊Nano Select副主编、Chin. J. Chem.明星编委、江苏省先进负碳技术重点实验室副主任、苏州市化学化工学会理事等。

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